Menu

Rodzaje wież wiatrowych

W energetyce wiatrowej dużych mocy, stosowane są zasadniczo trzy konstrukcje wież:

A. Wieże stalowe rurowe

B. Wieże kratownicowe

C. Wieże betonowe

Możemy też mówić o wieżach monomateriałowych jak i hybrydowych, gdzie wieża jest wykonana w dwóch różnych technologiach (np. dół z betonu, a góra z rur stalowych). Obecnie na rynku pojawiają się również rozwiązania alternatywne, które próbują wyeliminować problem masy poszczególnych elementów np. wieże w technologii "steel shell". Poniżej o  wszystkich powyższych rozwiązaniach.

 

A. Wieże stalowe rurowe.

Wykonywane są z blach stalowych o grubości dochodzącej do 120mm i więcej (wieże siłowni off-shore).ozewia247.jpg Najgrubsze ściany mają najniżej położone segmenty. Ich średnica może dochodzić go 9m, a masa pojedynczego segmentu do 600 ton. Wieże monopalowe w technologii morskich farm wiatrowych potrafią ważyć nawet 1300 ton. Na lądzie tak ciężkich konstrukcji się nie stosuje, z uwagi na problemy logistyczne. Transport modułów o długości >30 m jest bardzo skomplikowany, dlatego wieże na farmach on-shore są zbudowane zawsze  z kilku segmentów 3-5. Produkcja wież wymaga wygięcia arkusza blachy na zimno na specjalnych giętarkach, a następnie pospawania wzdłużnego. Pospawany walec blachy ma najczęściej 3m długości i łączony jest następnie przez spawanie doczołowe w dłuższe odcinki dochodzące do kilkudziesięciu metrów.

 

Rys. Po prawej - budowa wieży stalowej z dwóch sekcji. Na rys. wdoczne miejsca zamocowania kołnierzy (flange) oraz spawów poprzecznych (transverse weld) i podłużnych (longitudinal weld)

 

   W Polsce wieże wiatrowe stalowe rurowe powstają w Stoczni Gdańskiej. Stosowana tam zwijarka do blach pozwala na zimne gięcie blach o grubości do 78 mm. Zwinięte blachy są następnie spawane metodą MAG i SAW. Powstała tzw. "zwijka" wraca po spawaniu na zwijarkę w celu kalibracji, dzięki czemu uzyskuje idealnie kolisty kształt. Pospawane ze sobą zwijki przechodzą na kolejną linię produkcyjną (maszynę FUTT), gdzie dospawywane są do nich kołnierze, za pomocą których cała wieża ulegnie później skręceniu na placu budowy.  

ozewia248.jpg  

Fot. Wieża z przyspawanym kołnierzem (gospodarkamorska.pl)

  

ozewia251.jpg

Fot. Po prawej budowa wieży wiatrowej stalowej rurowej.

 

Najwięcej pracy wymaga zawsze wykonanie dolnego elementu wieży, gdzie w ścianie zwijki wycina się otwór drzwiowy i przyspawuje do niego ościeżnicę. Po wykonaniu badań nieniszczących spoin i kontroli wymiarowej sekcji następuje kolejny etap, czyli trasowanie wewnętrzne do uzbrojenia sekcji elementami złącznymi. Wspawane do wnętrza wież tuleje służyć będą do montażu wyposażenia wewnętrznego, czyli kabli, schodów, podestów, drabin etc. Jest to bardzo precyzyjny proces. Głównie z racji tego, że należy zachować osiowość pomiędzy poszczególnymi sekcjami. Montaż tych elementów musi zostać zakończony jeszcze przed malowaniem sekcji. Gotowe sekcje z kołnierzami są następnie transportowane do Linii Konserwacyjno-Malarskiej (LKM), gdzie czeka je ostatni etap, czyli malowanie.

 

 

 

 

Wieże kratownicowe

 

ozewia250.jpgSkładają się ze spawanych profili stalowych, co czyni nie relatywnie lekkimi i łatwiejszymi w transporcie. Mniejsza masa samej wieży to jednocześnie mniejsza ilość betonu na fundament i dużo niższe koszty. Pod względem widoczności i zaburzenia krajobrazu kratownica jest o wiele mniej dokuczliwa od wieży rurowej. Pomimo tych wszystkich zalet konstrukcje tego typ nie znajdują szerszego zastosowania. Duża wysokość wież i brak wewnętrznych wind powoduje ogromne problemy z serwisem. Warto dodać, że wieże kratownicowe dzierżą obecnie rekord pod względem wielkości wież wiatrakowych. Największy tego typu obiekt na świecie o wysokości 160 m został wybudowany po raz pierwszy w miejscowości Lassowa w Niemczech około 40 km od granicy z Polską przez firmę SeeBa. Kratownica o przekroju kwadratowym miała u podstawy szerokość 29m, a na szczycie 2,9m. Zamontowana na niej gondola o masie 140 ton i wirnik posiadają moc 2,5 MW. Cała wieża waży 350 ton, narożne uchwyty wykonane są do wysokości ok. 45 m jako potrójne kątowniki (2x250x28 + 1x150x15), a powyżej jako kątowniki podwójne o wysokości 250 mm o różnych grubościach (24 do 28 mm). Jako materiał wykorzystano stal typu St 37 oraz St 52. Wszystkie połączenia skręcane są śrubami. Firma zbudowała już kilka wież tego rodzaju między innymi w Polsce w miejscowości Nowy Tomyśl.

 

Fot. Powyżej wieża kratownicowa (fot. Seeba). U dołu montaż dolnych partii wieży. Widoczna budowa segmentu z kratownicą wewnętrzną rombową.

ozewia252.jpg

Fot. Budowa wieży kratownicowej (Fot. Seeba).

 

Wieże betonowe

 

Stanowią niewielki procent wszystkich konstrukcji wież wiatrowych. Betonowe konstrukcje mogą być montowane co najmniej na dwa sposoby:

- jako budowle wylewane i zagęszczane bezpośrednio na placu budowy (takie rozwiązania stosowane są zwykle tylko do pewnej wysokości i wykorzystywane w wieżach hybrydowych)

- jako konstrukcje modułowe wykonane z szeregu prefabrykowanych elementów składanych na placu budowy.

Poniżej skupię się na drugim rozwiązaniu, które pozwala na budowę bardzo wysokich (>100m) i sztywnych konstrukcyjnie wież. Przykładem jest inwestycja firmy Pekabex

 

ozewia253.jpgFot. Prefabrykowane elementy wież betonowych (Pekabex)

 

Firma podjęła się budowy 10 wież wiatrowych w miejscowości Gostyń o wysokości 120 m każda. Wieże miały stanowić podstawę dla turbiny wiatrowej o mocy 3MW. Firma każdą wieżę zaprojektowała z 22 prefabrykowanych elementów łukowych, składających się łącznie na 6 segmentów o wysokości 20m każdy. Segment dolny został wykonany z 5-ciu elementów łukowych, a najwyższy górny z dwóch. Segmenty zostały odlane w specjalnie sprowadzonych do tego celu formach z Hiszpanii. Poniżej zdjęcie podobnej formy wykorzystywanej przez firmę Windtechnic.

 

ozewia254.jpg

Fot. Forma do odlewania prefabrykatów betonowych wież wiatrowych (Windtechnic)

ozewia255.jpg

Fot. Transport suwnicą ramową i składowanie gotowych elementów łukowych (Windechnic).

 

Wieże betonowe segmentowe TU Wien

 

ozewia256.jpg

Fot. Segmenty betonowe dwuścienne do montażu na placu budowy (TU Wien)

 

Zespół wokół prof. Johanna Kolleggera z Instytutu Projektowania Strukturalnego na Uniwersytecie Technicznym w Wiedniu opracował nową technikę budowy wieży. Projekt UT zakłada budowę wież wiatrowych z elementów betonowych dwuściennych, o przekroju oktagonalnym. Duże elementy podwójnej ściany są najpierw łączone na ziemi, a następnie podnoszone i ostatecznie wypełniane betonem.   Budowa turbin wiatrowych powinna zatem stać się szybsza i bardziej ekonomiczna. Po obszernych obliczeniach i wstępnych pracach, nowa technologia została przetestowana w praktyce 15 lipca w miejscowości Gars am Kamp. Połączono tam  po raz pierwszy sześć segmentów o wysokości do 6 m i wadze 19 ton każdy. Cała wieża została pomyślnie zmontowana, podniesiona i wypełniona betonem. Projekt był wspierany przez prototypowe finansowanie z Ministerstwa Nauki, Badań i Gospodarki. " Według opinii instytutu, nowa metoda budowy jest prosta i szybka, elementy z podwójnymi ściankami są łatwe w transporcie. Po wszystkich dotychczasowych doświadczeniach można się spodziewać, że nowa metoda jest ekonomiczna i może się ugruntować w porównaniu z poprzednimi metodami budowy, nawet dla bardzo wysokich turbin wiatrowych." 

 

Wieże typu Steel Shell

 

ozewia257.jpg

Fot. Wieża typu Steel Shell

 

Budowa wież przekraczających 100m wysokości zapewnia wysokie sprawności farm wiatrowych, ale pociąga za sobą koszty i wyzwania logistyczne. Ogromne masy modułów wież stalowych rurowych komplikują transport i montaż, wymagając specjalistycznego sprzętu . Spowodowało to konieczność poszukiwania innych alternatywnych rozwiązań, jednym z nich jest technologia montażu Steel Shell opatentowana przez firmę Siemens.

    Wieże w technologii Steel Shell (dosłownie "stalowa muszla") składają się z modułów w kształcie litery U skręcanych za pomocą śrub typu HTC z regulowanym naprężeniem. Na placu budowy  na fundamencie wieży w pierwszej kolejności mocowana jest sekcja dolna o małej wysokości modułów.

ozewia258.jpg

Fot. Montaż sekcji dolnej w technologii Steel Shell.

 

Na niej zostaje zamocowany kolejny moduł przez skręcenie aż 56x14 śrub. Moduły każdej sekcji uszczelniane są między sobą uszczelkami gumowymi, aby do środka wieży nie dostawała się woda deszczowa. Technologia montażu śrub HRC nie wymaga ich ponownego dokręcania podczas eksploatacji wieży. Zwykle wieża składa sie z 9 modułów zamocowanych jeden nad drugim, zwężających się ku górze. W zależności od wysokości piasty, wieże są zbudowane z 9 lub więcej sekcji o średnicy dolnej 8 m lub większej. Modułowa koncepcja przestrzeni z wieżami ze stali stopowej pozwala na bardzo wysokie wysokości piasty (powyżej 140 m) przy bardzo niskich wymaganiach transportowych. Wieża jest wzniesiona w krótkim czasie i wymaga minimalnej konserwacji.

Przy produkcji tego typu wież nie zachodzi spawanie, nie ma więc niebezpieczeństwa zmęczenia materiałowego spoin lub błędów ich wykonania. Każdy moduł wykonany jest w formie prefabrykatu metodą zimnego gięcia ze stali o podwyższonej jakości i wytrzymałości. Zużywa się przy tym mniej stali niż przy wieżach rurowych z uwagi na mniejsze grubości ścianek. Po wewnętrznej stronie modułów istnieje możliwość zamocowania drabinek i podestów. Całość pozwala na budowę wież o niemal nieograniczonej wysokości uzależnionej tylko technologią dźwigową.

  Prototyp wieży w technologii firmy Siemens został wykonany w maju 2011 roku. Seryjna produkcja trwa od 2012 roku. 

 

Wieże modułowe systemu Steel Shell nie są tylko domeną firmy Siemens. Podobne rozwiązanie o nazwie NMT posiada w swojej ofercie firma Northstar Wind.  Połączenia śrubowe występują tutaj na obwodzie wieży i w pionie.

ozewia259.jpg

Fot. Połączenie śrubowe w wieży Fuhrländer 2,5 MW w Celle, Niemcy.

 

ozewia260.jpgozewia261.jpg

 

Fot. Wieża w technologii firmy Nothstar, po prawej przekrój przez ścianę, na poziomie śrub montażowych. Wszystkie połączenia zabezpieczone są tutaj zewnętrzną osłoną.

 

ozewia262.jpgUstawienie wieży Northstar odbywa się zasadniczo w taki sam sposób, jak w przypadku konwencjonalnej wieży. Po złożeniu na [poziomie ziemi  poszczególnych sekcji są one unoszone i wsuwane na miejsce, a następnie przymocowywane do sekcji położonej niżej. Zamiast połączenia typu kołnierz-kołnierz, NMT wykorzystuje połączenie poziome.

 

ozewia263.jpgozewia264.jpg

 

Wieże teleskopowe (c.d.n.)

    

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});